JP2008251925A - Diode - Google Patents

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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861Diodes
    • H01L29/872Schottky diodes

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the following problems: a reverse recovering time trr is large due to minority carriers injected into an n-type semiconductor layer in application of forward voltage in a pn-junction diode, and a leak current becomes large in Schottky contact in a Schottky barrier diode. <P>SOLUTION: A plurality of island-like p-type semiconductor regions separated from each other are provided on a first main surface of a substrate. A first opening is provided on a first insulating film covering the top of an n<SP>-</SP>-type semiconductor layer, and a first metal layer is formed thereon. The p-type semiconductor region of the operation region contacts the first metal layer via the first opening, and works as pn-junction diode. Since a Schottky contact region does not exist, leak current can be reduced. The separated p-type semiconductor region can suppress disappearance of electrons on an anode side, and a conductivity modulation effect can be improved. Further, the second metal layer can selectively brought into contact with a second main surface of the substrate by the second insulating film provided on the second main surface of the substrate, so that the second opening, and the conductivity modulation effect can be improved. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ダイオードに関し、特にリーク電流の低減と、スイッチングタイムの高速化を実現したダイオードに関する。   The present invention relates to a diode, and more particularly to a diode that realizes reduction of leakage current and increase in switching time.

ダイオードの代表的な構造として、pn接合ダイオードとショットキーバリアダイオードが知られている。   As typical structures of diodes, pn junction diodes and Schottky barrier diodes are known.

図13には、pn接合ダイオード110の断面図を示す。   FIG. 13 shows a cross-sectional view of the pn junction diode 110.

pn接合ダイオード110は、n+型シリコン半導体基板111上にn−型半導体層112を積層した基板SB’表面の動作領域ORに、高濃度のp型不純物を拡散するなどしたp型不純物領域113およびガードリング117を設ける。基板SB’表面に設けた絶縁膜115上にアノード電極118を設け、アノード電極118は絶縁膜115の1つの開口部OP’を介してp型不純物領域113とコンタクトする。n+型シリコン半導体基板111の裏面には、全面にカソード電極119を設ける(例えば特許文献1参照。)。   The pn junction diode 110 includes a p-type impurity region 113 formed by diffusing a high-concentration p-type impurity into the operation region OR on the surface of the substrate SB ′ in which the n− type semiconductor layer 112 is stacked on the n + type silicon semiconductor substrate 111 and A guard ring 117 is provided. An anode electrode 118 is provided on the insulating film 115 provided on the surface of the substrate SB ′, and the anode electrode 118 is in contact with the p-type impurity region 113 through one opening OP ′ of the insulating film 115. A cathode electrode 119 is provided on the entire back surface of the n + -type silicon semiconductor substrate 111 (see, for example, Patent Document 1).

図14は、従来のショットキーバリアダイオード120を示す断面図である。   FIG. 14 is a cross-sectional view showing a conventional Schottky barrier diode 120.

基板SB’はn+型半導体基板121にn−半導体層122を積層したものである。n−型半導体層122の動作領域ORには、複数に分離された高濃度のp型不純物によるp+型不純物領域123が複数設けられ、n−型半導体層122の表面には開口部OP’を有する絶縁膜125を設け、開口部OP’を介してn−型半導体層122とショットキー接合を形成する金属層126を設ける。この金属層126は例えばTiである。更に金属層126全面を覆ってアノード電極128となるAl層を設ける。半導体基板SB’外周には耐圧を確保するために高濃度のP型不純物を拡散したガードリング127が設けられ、その一部が金属層126とコンタクトする。基板SB’裏面はカソード電極129が設けられる。   The substrate SB ′ is obtained by stacking an n− semiconductor layer 122 on an n + type semiconductor substrate 121. The operation region OR of the n − type semiconductor layer 122 is provided with a plurality of p + type impurity regions 123 formed of a plurality of high concentration p type impurities, and an opening OP ′ is formed on the surface of the n − type semiconductor layer 122. An insulating film 125 is provided, and a metal layer 126 that forms a Schottky junction with the n − type semiconductor layer 122 is provided through the opening OP ′. This metal layer 126 is, for example, Ti. Further, an Al layer that serves as the anode electrode 128 is provided to cover the entire surface of the metal layer 126. A guard ring 127 in which high-concentration P-type impurities are diffused is provided on the outer periphery of the semiconductor substrate SB ′, and a part thereof contacts the metal layer 126. A cathode electrode 129 is provided on the back surface of the substrate SB ′.

このダイオード(以下JBS:Junction Barrier Schottky Diode)120に逆バイアスを印加すると、図14の如くp+型不純物領域123からn−型半導体層122に空乏層50が広がる。隣り合うp+型不純物領域123の離間距離をその空乏層50がピンチオフする幅以下に設けることで、逆バイアス印加時にショットキー接合部でリーク電流が発生しても、空乏層50により遮断できるものである。すなわち、金属層126の特性として、リーク電流特性をそれほど考慮せずに、順方向電圧特性の低いものを選択することができる(例えば特許文献2参照。)。
特開平10−335679号公報(第20頁、第37図) 特開2000−261004号公報 (第2−4頁、第1、3図)
When a reverse bias is applied to this diode (hereinafter referred to as JBS: Junction Barrier Schottky Diode) 120, depletion layer 50 spreads from p + -type impurity region 123 to n − -type semiconductor layer 122 as shown in FIG. By providing a separation distance between adjacent p + -type impurity regions 123 that is equal to or less than the width at which the depletion layer 50 is pinched off, even if a leak current is generated at the Schottky junction when a reverse bias is applied, the depletion layer 50 can block it. is there. That is, as the characteristic of the metal layer 126, one having a low forward voltage characteristic can be selected without much considering the leakage current characteristic (see, for example, Patent Document 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 10-335679 (page 20, FIG. 37) JP 2000-261004 A (page 2-4, FIGS. 1, 3)

図13の如き、pn接合ダイオード110は、一般的には逆方向降伏電圧が高いため、高耐圧用途に採用されることが多いが、順方向電圧VF特性も高いため消費電力が大きい問題がある。   As shown in FIG. 13, the pn junction diode 110 generally has a high reverse breakdown voltage and is therefore often used for high withstand voltage applications. However, the forward voltage VF characteristic is also high, resulting in a large power consumption. .

また、pn接合ダイオード110では、スイッチングタイムの増加や、逆回復損失の増大によりスイッチング特性が劣化する問題もある。   Further, the pn junction diode 110 has a problem that the switching characteristics deteriorate due to an increase in switching time and an increase in reverse recovery loss.

すなわち、順方向電圧印加時にはp型不純物領域からn−型半導体層に少数キャリアであるホールが注入される。この状態で逆方向電圧を印加した場合、n−型半導体層122に蓄積された少数キャリアの引き抜きあるいは再結合を経た後でないと、電流が遮断できない。つまり少数キャリアの引き抜きあるいは再結合に要する時間(逆回復時間trr)が増大し、これがスイッチングタイムの増加や、逆回復損失の増大によりスイッチング特性の劣化の要因となる。   That is, when a forward voltage is applied, holes that are minority carriers are injected from the p-type impurity region into the n − -type semiconductor layer. When a reverse voltage is applied in this state, the current cannot be interrupted unless minority carriers accumulated in the n − type semiconductor layer 122 are extracted or recombined. That is, the time required for pulling out or recombining minority carriers (reverse recovery time trr) increases, which causes deterioration of switching characteristics due to an increase in switching time and an increase in reverse recovery loss.

これを解決するために、いわゆるライフタイムキラーと呼ばれる重金属をn−型半導体層112にドープする方法が知られているが、重金属のドープ量が多すぎても抵抗増加による順方向電圧特性が劣化する問題があった。   In order to solve this problem, there is known a method of doping so-called lifetime killer into the n − -type semiconductor layer 112, but the forward voltage characteristics are deteriorated due to an increase in resistance even if the heavy metal is doped too much. There was a problem to do.

逆回復時間trrを短縮する方法として、p型不純物領域の不純物濃度を低減し、ドリフト層となるn−型半導体層122へのホール注入量を減少させることが考えられる。   As a method of shortening the reverse recovery time trr, it is conceivable to reduce the impurity concentration in the p-type impurity region and reduce the amount of holes injected into the n − -type semiconductor layer 122 serving as the drift layer.

しかし、p型不純物領域の不純物濃度を低減すると、当然ながらn−型半導体層122でのキャリア(ホール)蓄積量が低減するため、伝導度変調効果の減少につながる。従って、定格電流付近での順方向電圧VFが増大する問題がある。   However, when the impurity concentration of the p-type impurity region is reduced, the amount of carriers (holes) accumulated in the n − -type semiconductor layer 122 is naturally reduced, leading to a decrease in the conductivity modulation effect. Therefore, there is a problem that the forward voltage VF near the rated current increases.

一方、ショットキーバリアダイオードは、一般的には順方向電圧特性が低く、スイッチング時間(逆回復時間trr)が短い特性を有している。しかし、n−型半導体層と金属層とがショットキー接合を形成するため、ショットキー接合界面でのリーク電流が高い問題がある。   On the other hand, a Schottky barrier diode generally has a low forward voltage characteristic and a short switching time (reverse recovery time trr). However, since the n − type semiconductor layer and the metal layer form a Schottky junction, there is a problem of high leakage current at the Schottky junction interface.

そこで、図14の如きJBS120が採用され、ショットキー接合界面でリーク電流が発生した場合であっても空乏層50のピンチオフを利用してこれを遮断し、リーク電流の低減を図っている。   Therefore, the JBS 120 as shown in FIG. 14 is employed, and even when a leak current is generated at the Schottky junction interface, the depletion layer 50 is cut off by using the pinch-off to reduce the leak current.

しかし、この方法は理論的には可能であっても実際には空乏層50のみでリーク電流の経路を完全に遮断するのは困難である。空乏層50は電圧印加により発生するが、例えば40V程度の耐圧のJBS120では、n−型半導体層122の比抵抗が低いため、空乏層50が設計値通りに十分広がらない場合もある。図14の構造では1カ所でも空乏層50の広がりが十分でなくピンチオフできない領域があれば、リーク電流を抑制することは不可能である。   However, even though this method is theoretically possible, it is actually difficult to completely cut off the leakage current path only by the depletion layer 50. Although the depletion layer 50 is generated by voltage application, for example, in the JBS 120 having a withstand voltage of about 40 V, the depletion layer 50 may not sufficiently spread as designed because the n− type semiconductor layer 122 has a low specific resistance. In the structure of FIG. 14, if there is a region where the depletion layer 50 is not sufficiently spread even at one place and cannot be pinched off, it is impossible to suppress the leakage current.

またJBS120においても、スイッチングタイムが増加する問題がある。例えば約0.6Vを超える順方向電圧VFでJBS120を動作させると、p+型半導体領域123からn−型半導体層122へ少数キャリア(ホール)が注入されやすい状態となる。   The JBS 120 also has a problem that the switching time increases. For example, when the JBS 120 is operated with a forward voltage VF exceeding about 0.6 V, minority carriers (holes) are likely to be injected from the p + type semiconductor region 123 into the n − type semiconductor layer 122.

この状態で逆方向電圧を印加すると、pn接合ダイオード110の場合と同様に、n−型半導体層122に蓄積された少数キャリアの引き抜きあるいは再結合を経た後、n−型半導体層122に空乏層50が広がる。つまりJBS120においても、逆回復時間trrが増加し、スイッチングタイムの増加やスイッチング特性が劣化する問題があった。   When a reverse voltage is applied in this state, as in the case of the pn junction diode 110, the minority carriers accumulated in the n − type semiconductor layer 122 are extracted or recombined, and then the depletion layer is formed in the n − type semiconductor layer 122. 50 spreads. In other words, the JBS 120 also has a problem that the reverse recovery time trr is increased and the switching time is increased and the switching characteristics are deteriorated.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされ、第1に、高濃度の一導電型半導体基板に一導電型半導体層を積層した基板と、前記一導電型半導体層に互いに離間して設けられた複数の逆導電型半導体領域と、前記基板の一主面に設けられた絶縁膜と、該絶縁膜に設けられ前記逆導電型半導体領域が露出する開口部と、前記絶縁膜上に設けられ、前記開口部を介して前記逆導電型半導体領域とコンタクトする金属層と、を具備することにより解決するものである。   The present invention has been made in view of the above problems. First, a substrate in which a one-conductivity-type semiconductor layer is stacked on a high-concentration one-conductivity-type semiconductor substrate, and a plurality of the one-conductivity-type semiconductor layers provided separately from each other A reverse conductivity type semiconductor region, an insulating film provided on one main surface of the substrate, an opening provided in the insulating film and exposing the reverse conductivity type semiconductor region, and provided on the insulating film, This is solved by including a metal layer that contacts the reverse conductivity type semiconductor region through the opening.

第2に、高濃度の一導電型半導体基板に一導電型半導体層を積層した基板と、前記一導電型半導体層に互いに離間して設けられた複数の逆導電型半導体領域と、前記基板の第1主面に設けられた第1絶縁膜と、該第1絶縁膜に設けられ前記逆導電型半導体領域が露出する第1開口部と、前記第1絶縁膜上に設けられ、前記第1開口部を介して前記逆導電型半導体領域とコンタクトする第1金属層と、前記基板の第2主面に設けられた第2絶縁膜と、該第2絶縁膜に選択的に設けられた複数の第2開口部と、前記第2絶縁膜を覆って設けられ前記第2開口部を介して前記第2主面とコンタクトする第2金属層と、を具備することにより解決するものである。   Second, a substrate in which a one-conductivity-type semiconductor layer is stacked on a high-concentration one-conductivity-type semiconductor substrate, a plurality of opposite-conductivity-type semiconductor regions provided on the one-conductivity-type semiconductor layer and spaced apart from each other, A first insulating film provided on the first main surface; a first opening provided in the first insulating film through which the reverse conductivity type semiconductor region is exposed; provided on the first insulating film; A first metal layer in contact with the reverse conductivity type semiconductor region through the opening; a second insulating film provided on the second main surface of the substrate; and a plurality of selectively provided on the second insulating film And a second metal layer that covers the second insulating film and contacts the second main surface via the second opening.

本実施形態によれば、第1に、基板の第1主面に分離した複数のp型半導体領域を設け、第1主面に設けた第1絶縁膜に第1開口部を設けてp型半導体領域のみを露出させ、第1金属層(表面電極)を設ける構造を採用することにより、動作領域においてn−型半導体層とショットキー接合を形成する領域が存在しなくなり、リーク電流を低減できる。   According to the present embodiment, first, a plurality of separated p-type semiconductor regions are provided on the first main surface of the substrate, and the first opening is provided in the first insulating film provided on the first main surface. By adopting a structure in which only the semiconductor region is exposed and the first metal layer (surface electrode) is provided, there is no region that forms a Schottky junction with the n − type semiconductor layer in the operation region, and leakage current can be reduced. .

第2に、動作領域のp型半導体領域は、複数に分離された領域であるので、図13に示す従来の全面にp型不純物領域を形成したpn接合ダイオードより逆回復時間trrを低減することができる。本実施形態では、動作領域において金属層がp型半導体領域とオーミック接合を形成し、pn接合ダイオードとして機能する。しかし、動作領域の全面にp型半導体領域を形成したpn接合ダイオード(図13参照)と比較して、p型半導体領域の総体積を小さくして電荷量を低減する。このため順方向電圧印加時のn−型半導体層への少数キャリア(ホール)の注入を低減できる。すなわち、逆方向電圧印加時にホールの引き抜きや再結合の時間も短くなり逆回復時間trrを短縮できる。   Second, since the p-type semiconductor region of the operation region is a region separated into a plurality of regions, the reverse recovery time trr can be reduced as compared with the conventional pn junction diode in which the p-type impurity region is formed on the entire surface shown in FIG. Can do. In the present embodiment, the metal layer forms an ohmic junction with the p-type semiconductor region in the operation region, and functions as a pn junction diode. However, compared with a pn junction diode (see FIG. 13) in which a p-type semiconductor region is formed on the entire surface of the operation region, the total volume of the p-type semiconductor region is reduced to reduce the amount of charge. For this reason, the injection of minority carriers (holes) into the n − type semiconductor layer during forward voltage application can be reduced. That is, when reverse voltage is applied, the time for hole extraction and recombination is shortened, and the reverse recovery time trr can be shortened.

第3に、従来のpn接合ダイオードと比較して、アノード側の電子の消滅を低減するので、伝導度変調にかかわる電子量が多くなり、伝導度変調効果を高めることができ、順方向電圧特性を改善できる。   Third, since the annihilation of electrons on the anode side is reduced as compared with the conventional pn junction diode, the amount of electrons involved in the conductivity modulation increases, the conductivity modulation effect can be enhanced, and the forward voltage characteristics Can be improved.

第4に、基板の第2主面を覆う第2絶縁膜に第2開口部を設け、第2絶縁膜上に設けた第2金属層(裏面電極)と基板の第2主面とをコンタクトさせることにより、第2金属層のコンタクト面積を低減できる。これにより、基板の第2主面近傍において少数キャリア(ホール)の蓄積効果を増大させることができる。   Fourth, a second opening is provided in the second insulating film covering the second main surface of the substrate, and the second metal layer (back electrode) provided on the second insulating film is in contact with the second main surface of the substrate. By doing so, the contact area of the second metal layer can be reduced. Thereby, the accumulation effect of minority carriers (holes) can be increased in the vicinity of the second main surface of the substrate.

逆回復時間trr低減のために、ダイオードのp型不純物領域の電荷量を低減すると、伝導度変調効果が低減する問題があるが、本実施形態ではp型不純物領域の電荷量を低減した構成であっても、第2主面近傍において伝導度変調効果を増加させることができるので、ある電流ポイントにおける順方向電圧VFの増大を防止できる。   If the charge amount of the p-type impurity region of the diode is reduced in order to reduce the reverse recovery time trr, there is a problem that the conductivity modulation effect is reduced. In this embodiment, the charge amount of the p-type impurity region is reduced. Even in such a case, the conductivity modulation effect can be increased in the vicinity of the second main surface, so that an increase in the forward voltage VF at a certain current point can be prevented.

第5に、第2金属層のコンタクト(開口部)総面積を半導体基板の第2主面の面積の35%〜80%程度にすることにより、第2金属層付近における少数キャリアの蓄積に起因する順方向電圧VFの低減効果が、電流経路の狭小化による抵抗の増加分を上回ることができる。従って、従来構造において順方向電圧VFが増大していた定格電流付近において、順方向電圧VFを低減することができる。   Fifth, due to the accumulation of minority carriers in the vicinity of the second metal layer by setting the total contact (opening) area of the second metal layer to about 35% to 80% of the area of the second main surface of the semiconductor substrate. The effect of reducing the forward voltage VF can exceed the increase in resistance due to the narrowing of the current path. Therefore, the forward voltage VF can be reduced in the vicinity of the rated current where the forward voltage VF has increased in the conventional structure.

第6に、複数の開口部は正六角形状の均等なパターンで、且つ互いに均等な距離で離間することにより、キャリアが一箇所に集中することなく均一に引き抜きくことができ、またドリフト電流の経路を均一にすることができる。   Sixth, the plurality of openings have a regular hexagonal uniform pattern and are spaced at an equal distance from each other, so that the carriers can be drawn uniformly without concentrating on one place, and the drift current can be reduced. The path can be made uniform.


本発明の実施の形態を図1から図12を用いて詳細に説明する。

Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.

まず図1から図4を参照して、本発明の第1の実施形態について説明する。   First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1には、本実施形態のダイオードを示す。図1(A)(B)はダイオード100の第1主面Sf1における平面図であり、図1(C)は図1(A)(B)のa−a線の断面図である。図1(A)は、ダイオード表面の金属層を省略した図であり、図1(B)は金属層と絶縁膜のパターンを示す図である。   FIG. 1 shows the diode of this embodiment. FIGS. 1A and 1B are plan views of the first main surface Sf1 of the diode 100, and FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line aa in FIGS. FIG. 1A is a diagram in which the metal layer on the diode surface is omitted, and FIG. 1B is a diagram illustrating a pattern of the metal layer and the insulating film.

第1の実施形態のダイオード100は、一導電型半導体基板1と、一導電型半導体層2と、逆導電型半導体領域3と、第1絶縁膜5と、第1開口部OP1と、第1金属層7とから構成される。   The diode 100 according to the first embodiment includes a one-conductivity-type semiconductor substrate 1, a one-conductivity-type semiconductor layer 2, a reverse-conductivity-type semiconductor region 3, a first insulating film 5, a first opening OP1, And a metal layer 7.

図1(A)(C)を参照して、基板SBは、高濃度の一導電型(以下n+型)シリコン半導体基板1上にn−型半導体層2を積層してなる。n−型半導体層2は、例えばエピタキシャル層である。   Referring to FIGS. 1A and 1C, a substrate SB is formed by laminating an n− type semiconductor layer 2 on a high concentration one conductivity type (hereinafter n + type) silicon semiconductor substrate 1. The n − type semiconductor layer 2 is, for example, an epitaxial layer.

基板SBの第1主面Sf1となるn−型半導体層2表面には複数の逆導電型半導体領域3が設けられる。逆導電型半導体領域3は、例えばn−型半導体層2にトレンチ10を形成してトレンチ10内に高濃度のp型不純物を導入したポリシリコン層を埋設した領域であり、以下p型半導体領域3と称する。   A plurality of reverse conductivity type semiconductor regions 3 are provided on the surface of the n − type semiconductor layer 2 to be the first main surface Sf1 of the substrate SB. The reverse conductivity type semiconductor region 3 is a region in which, for example, a trench 10 is formed in the n − type semiconductor layer 2 and a polysilicon layer into which a high-concentration p-type impurity is introduced is buried in the trench 10. 3 is called.

トレンチ10は、それぞれ等しい所定の距離で離間して、n−型半導体層2に多数設けられる。トレンチ10間の距離d1は例えば1μm〜10μm程度である。後に詳述するが、互いに隣接するp型半導体領域3は等間隔で配置する必要があり、図1(A)の如く、基板SBの第1主面のパターンにおいて正六角形状が望ましい。正六角形状の場合、トレンチ10の開口幅(対角線幅)d2は例えば10μmである。   A large number of trenches 10 are provided in the n − type semiconductor layer 2 so as to be separated from each other by an equal predetermined distance. The distance d1 between the trenches 10 is, for example, about 1 μm to 10 μm. As will be described in detail later, the p-type semiconductor regions 3 adjacent to each other need to be arranged at equal intervals, and a regular hexagonal shape is desirable in the pattern of the first main surface of the substrate SB as shown in FIG. In the case of a regular hexagon, the opening width (diagonal width) d2 of the trench 10 is, for example, 10 μm.

これらのトレンチ10にそれぞれ高濃度のp型不純物がドープされたポリシリコンが埋め込まれ、これにより互いに等しい距離d1で離間した複数のp型半導体領域3が設けられる。   Polysilicon doped with high-concentration p-type impurities is buried in these trenches 10, thereby providing a plurality of p-type semiconductor regions 3 separated by an equal distance d <b> 1.

尚、p型半導体領域3はトレンチ10にポリシリコンを埋設した構成に限らず、n−型半導体層2に、好適には上記のパターンで、互いに等距離で離間して高濃度のp型不純物を拡散した領域であってもよい。しかし、p型半導体領域3のそれぞれの距離d1で第1主面Sf1におけるパターンを正確に形成するには、トレンチ10にポリシリコンを埋設する構成が好適であり、以下本実施形態ではこの構成を用いて説明する。   The p-type semiconductor region 3 is not limited to the structure in which polysilicon is buried in the trench 10, but the n− type semiconductor layer 2 is preferably formed in the above pattern and spaced apart from each other at equal distances by high-concentration p-type impurities. It may be a region in which is diffused. However, in order to accurately form the pattern on the first main surface Sf1 at each distance d1 of the p-type semiconductor region 3, a configuration in which polysilicon is embedded in the trench 10 is suitable. It explains using.

全てのp型半導体領域3を囲んでその外側には、リング状に、他のp型(p+型)半導体領域4を設ける。他のp+型半導体領域4は、ダイオード100の逆方向電圧印加時の耐圧を確保するために設けられた、ガードリング4である。ガードリング4は、p型半導体領域3と同様にトレンチ内に高濃度のp型不純物をドープしたポリシリコンを埋設した領域あるいは、n−型半導体層2に高濃度のp型不純物を拡散した領域である。   Around the entire p-type semiconductor region 3, another p-type (p + -type) semiconductor region 4 is provided in a ring shape on the outside. The other p + type semiconductor region 4 is a guard ring 4 provided to ensure a withstand voltage when a reverse voltage is applied to the diode 100. Similarly to the p-type semiconductor region 3, the guard ring 4 is a region where polysilicon doped with high-concentration p-type impurities is buried in the trench, or a region where high-concentration p-type impurities are diffused in the n − -type semiconductor layer 2. It is.

本実施形態では、ガードリング4の内側の領域を、ダイオード100として主に機能するする領域として動作領域ORと称する。   In this embodiment, the region inside the guard ring 4 is referred to as an operation region OR as a region mainly functioning as the diode 100.

ガードリング4の外側には、空乏層の広がりを抑制する高濃度のn型不純物領域9が設けられる。n型不純物領域9の上にはn型不純物領域9に接してシールドメタル13が設けられる。   A high concentration n-type impurity region 9 that suppresses the spread of the depletion layer is provided outside the guard ring 4. A shield metal 13 is provided on the n-type impurity region 9 in contact with the n-type impurity region 9.

図1(C)を参照して、基板SB(n−型半導体層2)の第1主面Sf1には第1絶縁膜5が設けられる。第1絶縁膜5は複数の第1開口部OP1を有する例えば酸化膜である。第1開口部OP1は、図1(A)に示す第1主面Sf1のパターンにおいて、全て動作領域OR内に設けられる。また第1絶縁膜5には、ガードリング4の一部が露出する他の開口部OP1’が設けられる。   Referring to FIG. 1C, a first insulating film 5 is provided on the first main surface Sf1 of the substrate SB (n− type semiconductor layer 2). The first insulating film 5 is, for example, an oxide film having a plurality of first openings OP1. The first openings OP1 are all provided in the operation region OR in the pattern of the first main surface Sf1 shown in FIG. The first insulating film 5 is provided with another opening OP1 'from which a part of the guard ring 4 is exposed.

第1開口部OP1は、動作領域ORの全てのp型半導体領域3と同じパターンに設けられる。すなわち第1開口部OP1からはp型半導体領域3のみが露出し、動作領域ORのn−型半導体層2は第1絶縁膜5により被覆される。p型不純物領域3の深さは、ガードリング4より浅い。また他の開口部OP1’からはガードリング4の一部が露出する。   The first opening OP1 is provided in the same pattern as all the p-type semiconductor regions 3 in the operation region OR. That is, only the p-type semiconductor region 3 is exposed from the first opening OP 1, and the n − -type semiconductor layer 2 in the operation region OR is covered with the first insulating film 5. The depth of the p-type impurity region 3 is shallower than the guard ring 4. A part of the guard ring 4 is exposed from the other opening OP1 '.

図1(B)(C)を参照して、第1金属層7は、第1絶縁膜5上に設けられ、第1開口部OP1を介してp型半導体領域3とコンタクトする。第1金属層7は、例えばアルミニウム(Al)層であり、p型半導体領域3のみとオーミック接合を形成する。すなわち、ダイオード100は、pn接合ダイオードとして機能し、第1金属層7はアノード電極Aとなる。   1B and 1C, the first metal layer 7 is provided on the first insulating film 5 and is in contact with the p-type semiconductor region 3 through the first opening OP1. The first metal layer 7 is an aluminum (Al) layer, for example, and forms an ohmic junction only with the p-type semiconductor region 3. That is, the diode 100 functions as a pn junction diode, and the first metal layer 7 becomes the anode electrode A.

基板SBの第2主面Sf2(n+型シリコン半導体基板1表面)には、ダイオード100のカソード電極CAとなる第2金属層8が設けられる。   A second metal layer 8 to be the cathode electrode CA of the diode 100 is provided on the second main surface Sf2 (the surface of the n + type silicon semiconductor substrate 1) of the substrate SB.

このように本実施形態のダイオード100では、動作領域ORにおいてショットキー接合領域が存在しない。従って、図14に示す従来のJBS120と同一チップサイズで比較した場合、ショットキー接合面積が存在しない分、ショットキー接合界面で発生するリーク電流を低減することができる。   Thus, in the diode 100 of this embodiment, there is no Schottky junction region in the operation region OR. Therefore, when compared with the conventional JBS 120 shown in FIG. 14 with the same chip size, the leakage current generated at the Schottky junction interface can be reduced by the absence of the Schottky junction area.

また、図13に示す従来のpn接合ダイオードと比較して、逆回復時間trrを短縮することができる。   Further, the reverse recovery time trr can be shortened as compared with the conventional pn junction diode shown in FIG.

以下、図2を参照して更に説明する。図2は、図1に示す動作領域ORの概要を示す拡大断面図であり、図2(A)が順方向電圧を印加した状態を示し、図2(B)が順方向電圧印加から逆方向電圧印加に遷移する状態を示し、図2(C)が逆方向電圧を印加した状態を示す。尚、図2においてガードリングは省略している。   Hereinafter, further description will be given with reference to FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing an outline of the operation region OR shown in FIG. 1. FIG. 2 (A) shows a state where a forward voltage is applied, and FIG. 2 (B) shows a reverse direction from application of the forward voltage. FIG. 2C shows a state in which a reverse voltage is applied. In FIG. 2, the guard ring is omitted.

図2(A)の如く、オン状態でアノード電極A−カソード電極CA間に順方向電圧が印加されると、p型半導体領域3からn−型半導体層2に少数キャリア(ホール)が注入され、n−型半導体層2(ドリフト層)の伝導度が変調されるとともにダイオード100が導通し、電流Iがアノード電極A−カソード電極CA間に流れる。   As shown in FIG. 2A, when a forward voltage is applied between the anode electrode A and the cathode electrode CA in the on state, minority carriers (holes) are injected from the p-type semiconductor region 3 into the n − -type semiconductor layer 2. , The conductivity of the n − type semiconductor layer 2 (drift layer) is modulated, the diode 100 is conducted, and the current I flows between the anode electrode A and the cathode electrode CA.

pn接合ダイオード100は伝導度変調型素子であり、p型半導体領域3からn−型半導体層2にホールが注入される。このとき例えば、図13に示す従来のpn接合ダイオード110と同一チップサイズとして比較すると、本実施形態では、p型半導体領域3をそれぞれ分離した複数の島状に形成することにより、p型半導体領域3の総体積が小さくなり、従来のp型不純物領域113より電荷量が少なくなる。従って、従来のpn接合ダイオード110と比較してn−型半導体層2に注入される少数キャリア(ホール)の量も低減できる。   The pn junction diode 100 is a conductivity modulation element, and holes are injected from the p-type semiconductor region 3 into the n − -type semiconductor layer 2. At this time, for example, when compared with the conventional pn junction diode 110 shown in FIG. 13 as the same chip size, in the present embodiment, the p-type semiconductor region 3 is formed into a plurality of islands separated from each other, whereby 3 is smaller, and the amount of charge is smaller than that of the conventional p-type impurity region 113. Therefore, the amount of minority carriers (holes) injected into the n − type semiconductor layer 2 can be reduced as compared with the conventional pn junction diode 110.

そしてアノード電極Aの接触面積が小さくなっているため電極からの電子の消滅が減少し、すなわちアノード側(基板SBの第1主面Sf1側)の電子の消滅を減らすことができる。そのため伝導度変調効果がより有効となり、従来のpn接合ダイオードと比較して順方向電圧VFをほぼ同等にできる。   Since the contact area of the anode electrode A is small, the disappearance of electrons from the electrode is reduced, that is, the disappearance of electrons on the anode side (the first main surface Sf1 side of the substrate SB) can be reduced. Therefore, the conductivity modulation effect becomes more effective, and the forward voltage VF can be made substantially equal as compared with the conventional pn junction diode.

その後、図2(B)の如くダイオード100をオフ状態にするため、順方向電圧印加から逆方向電圧印加に転じると、n−型半導体層2に蓄積された少数キャリアの引き抜きあるいは再結合をした後、空乏層が広がる。   Thereafter, in order to turn off the diode 100 as shown in FIG. 2B, when switching from forward voltage application to reverse voltage application, minority carriers accumulated in the n − type semiconductor layer 2 were extracted or recombined. Later, the depletion layer spreads.

ここで、上述したとおり本実施形態ではp型半導体領域3の電荷量が、従来のpn接合ダイオード110と比較して少ないため、順方向電圧印加時にn−型半導体層2に蓄積された少数キャリアの量も減少する。従って、少数キャリアの引き抜きまたは再結合の時間(逆回復時間:trr)を短縮することができる。   Here, as described above, since the charge amount of the p-type semiconductor region 3 is smaller than that of the conventional pn junction diode 110 in the present embodiment, minority carriers accumulated in the n − -type semiconductor layer 2 when a forward voltage is applied. The amount of is also reduced. Accordingly, it is possible to shorten the time for extracting or recombining minority carriers (reverse recovery time: trr).

これにより従来のpn接合ダイオード110(図13)と比較して、逆回復時間trrを低減することができ、スイッチング時間の低減や、逆回復損失の低減によるスイッチング特性の改善に寄与できる。   Thereby, compared with the conventional pn junction diode 110 (FIG. 13), the reverse recovery time trr can be reduced, which can contribute to the reduction of switching time and the improvement of switching characteristics due to the reduction of reverse recovery loss.

次に、図2(C)を参照して、逆方向電圧印加により、少数キャリアは消滅し、n−型半導体層2中に空乏層50が広がり電流を遮断する。   Next, with reference to FIG. 2C, by applying a reverse voltage, minority carriers disappear, and the depletion layer 50 spreads in the n − type semiconductor layer 2 to block the current.

ここで、p型半導体領域3の形状は、逆方向電圧印加時に空乏層10が均等に広がってエピタキシャル層2を埋め尽くせるよう、各々均等な離間距離で配置されることが必要であるので、正六角形状が最適である。   Here, the shape of the p-type semiconductor region 3 needs to be arranged at equal distances from each other so that the depletion layer 10 spreads out evenly when the reverse voltage is applied and the epitaxial layer 2 can be completely filled. The hexagonal shape is optimal.

また、p型半導体領域3の離間距離がある程度確保できる場合は、正六角形状に開口されたマスクを用いてエピタキシャル層2にp型不純物をイオン注入して拡散した拡散領域でもよい。しかし、離間距離が狭い場合は不純物拡散領域では横方向への広がりが避けられないため、トレンチ10にポリシリコン32を埋設したp型半導体領域3を採用する方が好ましい。   In addition, when a certain distance between the p-type semiconductor regions 3 can be secured, a diffusion region in which p-type impurities are ion-implanted into the epitaxial layer 2 using a mask having a regular hexagonal shape may be used. However, when the separation distance is small, the impurity diffusion region cannot be expanded in the lateral direction. Therefore, it is preferable to use the p-type semiconductor region 3 in which the polysilicon 32 is embedded in the trench 10.

本実施形態では、p型半導体領域3の不純物の電荷量は、n−型半導体層2の不純物の電荷量の1倍〜2倍である。   In the present embodiment, the charge amount of impurities in the p-type semiconductor region 3 is 1 to 2 times the charge amount of impurities in the n − -type semiconductor layer 2.

図3は、順方向電圧VFと逆方向電圧VRに対する、p型不純物とn型不純物の電荷比(p/n電荷比)の依存性を示す図である。図3(A)が順方向電圧VFの場合であり、図3(B)が逆方向電圧VRの場合であり、それぞれの縦軸が電圧、横軸がp/n電荷比である。p/n電荷比は、図1に示す本実施形態の構造において、p型半導体領域3とn−型半導体層2の電荷比を変化させ、順方向電圧VFと逆方向電圧VRを測定した。   FIG. 3 is a diagram showing the dependence of the charge ratio (p / n charge ratio) between the p-type impurity and the n-type impurity on the forward voltage VF and the reverse voltage VR. 3A shows the case of the forward voltage VF, and FIG. 3B shows the case of the reverse voltage VR. Each vertical axis represents voltage, and the horizontal axis represents the p / n charge ratio. For the p / n charge ratio, the forward voltage VF and the reverse voltage VR were measured by changing the charge ratio between the p-type semiconductor region 3 and the n − -type semiconductor layer 2 in the structure of the present embodiment shown in FIG.

より具体的には、n−型半導体層2の電荷量を固定し、p型半導体領域3深さを変更することによりp/n電荷比を変化させた。また2種類(5E15cm−3、1E16cm−3)のp型半導体領域3の不純物濃度について、測定した。 More specifically, the charge amount of the n − type semiconductor layer 2 was fixed, and the p / n charge ratio was changed by changing the depth of the p type semiconductor region 3. Further, the impurity concentration of two types (5E15 cm −3 , 1E16 cm −3 ) of the p-type semiconductor region 3 was measured.

これによれば、順方向電圧VFは一次的な依存性ではなく、p層に一定量以上のホールが存在しても順方向電圧VFはほとんど変わらない。つまり、図3(A)より、p/n電荷比が0.5〜2の場合、順方向電圧VFはほとんど変化していない。また、逆方向電圧VRはp/n電荷比が1以上で逆方向電圧VRの安定領域となる。この結果より、本実施形態のp型半導体領域3の不純物の電荷量は、n−型半導体層2の不純物の電荷量の1倍〜2倍とする。   According to this, the forward voltage VF is not a primary dependency, and the forward voltage VF hardly changes even if a certain amount or more of holes exist in the p layer. That is, from FIG. 3A, when the p / n charge ratio is 0.5 to 2, the forward voltage VF hardly changes. Further, the reverse voltage VR is a stable region of the reverse voltage VR when the p / n charge ratio is 1 or more. From this result, the charge amount of the impurity in the p-type semiconductor region 3 of the present embodiment is set to 1 to 2 times the charge amount of the impurity in the n − type semiconductor layer 2.

図4は、本実施形態のダイオード100(実線)と、図14に示す従来のJBS120(破線)のリーク電流特性を比較した図である。縦軸が逆方向電流(リーク電流)IRであり、横軸が逆方向電圧VRである。   FIG. 4 is a diagram comparing the leakage current characteristics of the diode 100 (solid line) of the present embodiment and the conventional JBS 120 (broken line) shown in FIG. The vertical axis is the reverse current (leakage current) IR, and the horizontal axis is the reverse voltage VR.

このように、本実施形態では、ショットキー接合領域の面積が小さいため、同一チップサイズであればリーク電流が大幅に低減でき、良好なリーク電流特性を得ることができる。   As described above, in this embodiment, since the area of the Schottky junction region is small, the leak current can be significantly reduced if the chip size is the same, and good leak current characteristics can be obtained.

次に、図5から図10を参照して、本発明の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、基板SBの第2主面に設ける第2金属層の構造が、第1の実施形態と異なるものである。従って、第1の実施形態と同一構成要素については同一符号で示し、その説明を省略する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The second embodiment is different from the first embodiment in the structure of the second metal layer provided on the second main surface of the substrate SB. Therefore, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

第2の実施形態のダイオード105は、一導電型半導体基板1と、一導電型半導体層2と、逆導電型半導体領域3と、第1絶縁膜5と、第1開口部OP1と、第1金属層7と、第2絶縁膜11と、第2開口部OP2と、第2金属層12と、から構成される。   The diode 105 of the second embodiment includes a one-conductivity-type semiconductor substrate 1, a one-conductivity-type semiconductor layer 2, a reverse-conductivity-type semiconductor region 3, a first insulating film 5, a first opening OP1, The metal layer 7, the second insulating film 11, the second opening OP <b> 2, and the second metal layer 12 are configured.

図5および図6は、第2の実施形態のダイオード105を示す図であり、図5がダイオード105の断面図、図6(A)が第2主面Sf2の第2絶縁膜11の平面図、図6(B)が第2主面Sf2側の第2金属層12を設けた平面図である。尚、図5は、図6のb−b線断面図である。また、第1主面Sf1側の構成は、第1の実施形態(図1(A)(B))と同様である。   5 and 6 are diagrams showing the diode 105 according to the second embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view of the diode 105, and FIG. 6A is a plan view of the second insulating film 11 on the second main surface Sf2. FIG. 6B is a plan view in which the second metal layer 12 on the second main surface Sf2 side is provided. 5 is a cross-sectional view taken along the line bb of FIG. The configuration on the first main surface Sf1 side is the same as that of the first embodiment (FIGS. 1A and 1B).

図5および図6(A)を参照して、基板SBの第2主面Sf2側には、全面に第2絶縁膜11が設けられる。第2絶縁膜11は例えば酸化膜であり、複数の第2開口部OP2が選択的に設けられる。   With reference to FIG. 5 and FIG. 6A, the second insulating film 11 is provided on the entire surface on the second main surface Sf2 side of the substrate SB. The second insulating film 11 is, for example, an oxide film, and a plurality of second openings OP2 are selectively provided.

それぞれの第2開口部OP2は、均等な形状(大きさ)で、第2開口部OP2の中心部からの距離が互いに均等な距離で離間して配置される。その結果、第2開口部OP2間の離間距離d3(図6(A))は等間隔となる。第2開口部OP2の形状は、正六角形状である。第2開口部OP2の総面積は、半導体基板SBの第2主面Sf2に対して35%〜80%である。   Each of the second openings OP2 has an equal shape (size) and is spaced from the center of the second opening OP2 by an equal distance. As a result, the separation distance d3 (FIG. 6A) between the second openings OP2 is equal. The shape of the second opening OP2 is a regular hexagon. The total area of the second opening OP2 is 35% to 80% with respect to the second main surface Sf2 of the semiconductor substrate SB.

一例として半導体基板SBの第2主面の面積(チップサイズ)が、例えば3mm角程度の場合、1つの第2開口部OP2の面積は1000μm程度であり、それぞれ15μm程度離間して設けられる。 As an example, when the area (chip size) of the second main surface of the semiconductor substrate SB is, for example, about 3 mm square, the area of one second opening OP2 is about 1000 μm 2 , and they are spaced apart by about 15 μm.

図5を参照して、第2金属層12は、第2絶縁膜11を覆って第2主面Sf2側に設けられ、図6(B)の破線で示す第2開口部OP2を介して半導体基板SBの第2主面(n+型シリコン半導体基板1)とコンタクトし、ダイオード105のカソード電極CAとなる。   Referring to FIG. 5, the second metal layer 12 covers the second insulating film 11 and is provided on the second main surface Sf2 side, and is formed through the second opening OP2 indicated by a broken line in FIG. 6B. It contacts the second main surface (n + type silicon semiconductor substrate 1) of the substrate SB and becomes the cathode electrode CA of the diode 105.

第2金属層12は、例えば、第2主面Sf2側からTi−Ni−Agの多層金属構造である。チップサイズが0.6mm角以上と大きい場合は、リードフレーム等の支持材30とダイオード105との固着に共晶を採用すると、ムラができ易く、振動で割れが発生するなど好ましくない。そこで、チップサイズが大きい場合には接着材にて固着することが望ましい。   The second metal layer 12 has, for example, a Ti—Ni—Ag multilayer metal structure from the second main surface Sf2 side. When the chip size is as large as 0.6 mm square or more, if eutectic is used for fixing the support member 30 such as the lead frame and the diode 105, unevenness is likely to occur and cracking due to vibration is not preferable. Therefore, when the chip size is large, it is desirable to fix with an adhesive.

また、例えばチップサイズが0.6mm角より小さい場合、リードフレーム等の支持材30とダイオード105とを共晶にて固着できるので、この場合の第2金属層12は、第2主面Sf2側からNiCr−Auの多層金属構造を採用し、支持材(例えば銅(Cu))と共晶させて固着する。   For example, when the chip size is smaller than 0.6 mm square, the support material 30 such as the lead frame and the diode 105 can be fixed together by eutectic, so that the second metal layer 12 in this case is on the second main surface Sf2 side. Then, a NiCr—Au multilayer metal structure is adopted and fixed by eutectic with a support material (for example, copper (Cu)).

第2主面Sf2では、第2開口部OP2を設けた第2絶縁膜11を覆って第2金属層12が設けられる。これにより、第2金属層12と基板SB(n+型シリコン半導体基板1)とのトータルのコンタクト面積は、基板SBの面積の35%〜80%となる。しかし、第2金属層12と、リードフレーム等の支持材30との固着面積は、基板SBの面積(チップサイズ)を維持でき、従来どおりの固着強度を確保できる(図5参照)。   In the second main surface Sf2, the second metal layer 12 is provided so as to cover the second insulating film 11 provided with the second opening OP2. As a result, the total contact area between the second metal layer 12 and the substrate SB (n + type silicon semiconductor substrate 1) is 35% to 80% of the area of the substrate SB. However, the fixing area between the second metal layer 12 and the support member 30 such as the lead frame can maintain the area (chip size) of the substrate SB, and can ensure the conventional fixing strength (see FIG. 5).

第2の実施形態では、第2金属層12と基板SBとのコンタクト面積を低減することにより、第2金属層12近傍において少数キャリア(ホール)の消滅を減らすことができ、伝導度変調効果を向上させることができる。   In the second embodiment, by reducing the contact area between the second metal layer 12 and the substrate SB, the disappearance of minority carriers (holes) in the vicinity of the second metal layer 12 can be reduced, and the conductivity modulation effect can be obtained. Can be improved.

図7は、ダイオード105に順方向電圧VFを印加した場合の、第2金属層12付近の拡大断面図である。   FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the second metal layer 12 when the forward voltage VF is applied to the diode 105.

第1金属層7(アノード電極A)に正電位を印加し、第2金属層12(カソード電極CA)に負電位を印加すると、p型不純物領域3からn−型半導体層2にホールの注入が生じ、n−型半導体層2(ドリフト層)の伝導度が変調されるとともに半導体装置20が導通し、電流が第1電極5から第2金属層12に向かって流れる。   When a positive potential is applied to the first metal layer 7 (anode electrode A) and a negative potential is applied to the second metal layer 12 (cathode electrode CA), holes are injected from the p-type impurity region 3 into the n − -type semiconductor layer 2. Occurs, the conductivity of the n − type semiconductor layer 2 (drift layer) is modulated, the semiconductor device 20 is conducted, and a current flows from the first electrode 5 toward the second metal layer 12.

このとき第2金属層12付近において、第2絶縁膜11の第2開口部OP2付近の少数キャリア(ホール)は、第2金属層12に引き抜かれるが、第2開口部OP2の周辺では第2絶縁膜11に阻まれた少数キャリア(ホール)が蓄積する。その結果伝導度変調効果が増加し、順方向電圧VFが低減する。   At this time, in the vicinity of the second metal layer 12, minority carriers (holes) near the second opening OP2 of the second insulating film 11 are extracted by the second metal layer 12, but in the vicinity of the second opening OP2, Minority carriers (holes) blocked by the insulating film 11 accumulate. As a result, the conductivity modulation effect increases and the forward voltage VF decreases.

また、第1の実施形態と同様に基板SBの第1主面Sf1側において、p型半導体領域3を複数に分離した島状に形成する。これにより、例えば図13に示す従来のpn接合ダイオード110と同一チップサイズとして比較すると、本実施形態では、p型半導体領域3の総体積が小さくなり、従来のp型不純物領域113より電荷量が少なくなる。従って、従来のpn接合ダイオード110と比較してn−型半導体層2に注入される少数キャリア(ホール)の量も低減できる。   Further, similarly to the first embodiment, the p-type semiconductor region 3 is formed in an island shape separated into a plurality on the first main surface Sf1 side of the substrate SB. Accordingly, for example, when compared with the conventional pn junction diode 110 shown in FIG. 13 as the same chip size, in this embodiment, the total volume of the p-type semiconductor region 3 is reduced, and the charge amount is larger than that of the conventional p-type impurity region 113. Less. Therefore, the amount of minority carriers (holes) injected into the n − type semiconductor layer 2 can be reduced as compared with the conventional pn junction diode 110.

更に、第2の実施形態では、アノード電極Aの接触面積が小さくなっているため電極からの電子の消滅が減少し、すなわちアノード側(基板SBの第1主面Sf1側)の電子の消滅を減らすことができる。   Furthermore, in the second embodiment, since the contact area of the anode electrode A is small, the disappearance of electrons from the electrode is reduced, that is, the disappearance of electrons on the anode side (the first main surface Sf1 side of the substrate SB) is eliminated. Can be reduced.

そのため伝導度変調効果がより有効となり、従来のpn接合ダイオードと比較して順方向電圧VFをほぼ同等にできる。   Therefore, the conductivity modulation effect becomes more effective, and the forward voltage VF can be made substantially equal as compared with the conventional pn junction diode.

上述したがp型半導体領域3は、逆回復時間trr低減のため、その不純物濃度を低減し、不純物の電荷量を従来のpn接合ダイオード110と比較して減少させている。具体的には、p型半導体領域3の不純物の電荷量はn−型半導体層2の不純物の電荷量の1倍〜2倍である。   As described above, the p-type semiconductor region 3 has its impurity concentration reduced to reduce the reverse recovery time trr and the impurity charge amount is reduced as compared with the conventional pn junction diode 110. Specifically, the charge amount of impurities in the p-type semiconductor region 3 is 1 to 2 times the charge amount of impurities in the n − -type semiconductor layer 2.

この場合、ドリフト層であるn−型半導体層2に注入される少数キャリア(ホール)が低減するので、この点では伝導度変調効果が低減してしまう。   In this case, since minority carriers (holes) injected into the n − type semiconductor layer 2 that is the drift layer are reduced, the conductivity modulation effect is reduced at this point.

また、第2絶縁膜11はドリフト電流の経路を狭小化するので、電流の抵抗が若干増加する。   In addition, since the second insulating film 11 narrows the path of the drift current, the current resistance slightly increases.

しかし、第2の実施形態ではカソード側において、選択的に第2金属層12をコンタクトさせ、また第2開口部OP2の面積および配置を適切に選択することにより、電流の抵抗増加分と、少数キャリアの注入量の低減分を上回る伝導度変調効果を得ることができる。従って、逆回復時間trrの低減と、伝導度変調効果を高めることによる順方向電圧VFの低減を実現できる。   However, in the second embodiment, on the cathode side, the second metal layer 12 is selectively contacted, and the area and arrangement of the second opening OP2 are appropriately selected, thereby increasing the resistance of the current and a small number. A conductivity modulation effect that exceeds the reduction in the amount of injected carriers can be obtained. Therefore, it is possible to reduce the reverse recovery time trr and reduce the forward voltage VF by increasing the conductivity modulation effect.

図8および図9は、p型半導体領域3の不純物濃度による順方向電圧VF−順方向電流IF特性を説明する図である。   8 and 9 are diagrams for explaining the forward voltage VF-forward current IF characteristics depending on the impurity concentration of the p-type semiconductor region 3.

図8は、従来構造(図13)のpn接合ダイオード110におけるp型不純物領域113の2種類の不純物濃度についての順方向電圧VF−順方向電流IF特性を示しており、破線が、p型不純物領域113の不純物濃度が2.5E18cm−3の場合であり、実線が、p型不純物領域113の不純物濃度が1.0E15cm−3の場合である。 FIG. 8 shows the forward voltage VF-forward current IF characteristics for two types of impurity concentrations in the p-type impurity region 113 in the pn junction diode 110 having the conventional structure (FIG. 13). The broken line indicates the p-type impurity. This is the case where the impurity concentration of the region 113 is 2.5E18 cm −3 , and the solid line is the case where the impurity concentration of the p-type impurity region 113 is 1.0E15 cm −3 .

これによれば、順方向電流IFが5(A)の場合、p型不純物領域の不純物濃度を低減することにより、順方向電圧VFが0.3V程度増加することがわかる。   This shows that when the forward current IF is 5 (A), the forward voltage VF increases by about 0.3 V by reducing the impurity concentration of the p-type impurity region.

図9は、従来のpn接合ダイオード110と、第2の実施形態のダイオード105の第1主面Sf1を従来のpn接合ダイオード110とした場合の順方向電流IF−順方向電圧VF特性を比較した図である。破線が従来構造の如くカソード電極119が基板SB’の全面とコンタクトした場合であり、実線が本実施形態の如く、第2電極12(カソード電極CA)と基板SBとのコンタクト面積が、基板SBの総面積の2分の1の場合である。またp型半導体領域3の不純物濃度は、図8に示した、1.0E15cm−3の場合である。 FIG. 9 compares the forward current IF-forward voltage VF characteristics when the conventional pn junction diode 110 and the first main surface Sf1 of the diode 105 of the second embodiment are the conventional pn junction diode 110. FIG. The broken line is the case where the cathode electrode 119 is in contact with the entire surface of the substrate SB ′ as in the conventional structure, and the solid line is the contact area between the second electrode 12 (cathode electrode CA) and the substrate SB as in the present embodiment. This is a case of half the total area. The impurity concentration of the p-type semiconductor region 3 is 1.0E15 cm −3 shown in FIG.

このように本実施形態によれば、第2電極12と半導体基板SBとのコンタクト面積を低減(例えばチップ総面積の2分の1)にすることにより、順方向電流IFが約0.1A以上の場合に同じ順方向電流IFにおける順方向電圧VFを低減することができる。   As described above, according to the present embodiment, the forward current IF is about 0.1 A or more by reducing the contact area between the second electrode 12 and the semiconductor substrate SB (for example, half the total chip area). In this case, the forward voltage VF at the same forward current IF can be reduced.

図8で、p型不純物領域の濃度を低濃度にしたとき、順方向電流IFが約1Aまでは順方向電圧VFも低い(低VF)が、順方向電流IFが約1Aを超えた領域で、同じ順方向電流IFにおける順方向電圧VFが増大してしまう(図8)。   In FIG. 8, when the concentration of the p-type impurity region is low, the forward voltage IF is low (low VF) until the forward current IF is about 1 A, but in the region where the forward current IF exceeds about 1 A. The forward voltage VF at the same forward current IF increases (FIG. 8).

しかし、本実施形態においてコンタクト面積を低減することにより、順方向電流IFが約0.1A以上の領域で、順方向電圧VFを逆転させ、同じ順方向電流IFにおける順方向電圧VF値を低減できる。なお、順方向電流IFが約0.1A以下では第2電極(カソード電極)が全面でコンタクトする方がよいが、これは同じ不純物濃度で第2電極を全面に設けた場合と、その2分の1の面積の場合を比較しているからである。   However, by reducing the contact area in this embodiment, the forward voltage VF can be reversed in the region where the forward current IF is about 0.1 A or more, and the forward voltage VF value at the same forward current IF can be reduced. . When the forward current IF is about 0.1 A or less, it is better to contact the second electrode (cathode electrode) over the entire surface. This is equivalent to the case where the second electrode is provided over the entire surface with the same impurity concentration. This is because the cases of areas of 1 are compared.

p型不純物領域(p型半導体領域3)が高濃度(図8)の場合と比べれば、低濃度の方が順方向電流IFが約1A以下で低VFであり(図8)、順方向電圧VFが大きくなる約0.1A以下(図9)でも従来構造(p型不純物領域113が高濃度でカソード電極が全面でコンタクトするpn接合ダイオード110)より低VFにできる。   Compared with the case where the p-type impurity region (p-type semiconductor region 3) has a high concentration (FIG. 8), the low concentration has a forward current IF of about 1 A or less and a low VF (FIG. 8). Even when the VF is increased to about 0.1 A or less (FIG. 9), the VF can be made lower than the conventional structure (the pn junction diode 110 in which the p-type impurity region 113 has a high concentration and the cathode electrode contacts the entire surface).

尚、第2絶縁膜11は電流の経路を狭小化するので、電流の抵抗が若干増加するが、第2開口部OP2の面積および配置を適切に選択することにより、電流の抵抗増加分を上回る伝導度変調効果を得ることができる。   Since the second insulating film 11 narrows the current path, the current resistance slightly increases. However, the second insulating film 11 exceeds the current resistance increase by appropriately selecting the area and arrangement of the second opening OP2. A conductivity modulation effect can be obtained.

図10は、第2開口部OP2の開口率と順方向電圧VFとの関係を示す図である。横軸が、第2主面の面積に対する第2開口部OP2の総面積の割合を示す開口率[%]であり、縦軸がそれぞれの開口率における順方向電圧VF[V]である。   FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between the aperture ratio of the second opening OP2 and the forward voltage VF. The horizontal axis represents the aperture ratio [%] indicating the ratio of the total area of the second opening OP2 to the area of the second main surface, and the vertical axis represents the forward voltage VF [V] at each aperture ratio.

これにより、第2開口部OP2の総面積が、半導体基板SBの第2主面の総面積の2分の1の場合に、最も順方向電圧VFの低減を実現することができる。   As a result, when the total area of the second opening OP2 is half of the total area of the second main surface of the semiconductor substrate SB, the forward voltage VF can be most reduced.

次に、図11および図12を参照して第2の実施形態のダイオード105の製造方法を説明する。   Next, a manufacturing method of the diode 105 of the second embodiment will be described with reference to FIGS.

第1工程(図11(A)):n+型半導体基板1にn−型半導体層2を積層した基板SBを準備し、酸化膜などを所望のパターンにエッチングしたマスクMを第1主面Sf1の全面に生成する。マスクMから露出したn−型半導体層2表面を異方性エッチングし、深さ例えば4μm程度のトレンチ10を形成する。基板SBの一主面におけるトレンチ10のパターンは正六角形状であり、その幅(対角線幅)は例えば10μm程度である。トレンチ10間の距離d1は互いに等間隔であり、例えば1μm〜10μm程度である。   First step (FIG. 11A): A substrate SB in which an n− type semiconductor layer 2 is stacked on an n + type semiconductor substrate 1 is prepared, and a mask M obtained by etching an oxide film or the like into a desired pattern is used as a first main surface Sf1. Generated on the entire surface. The surface of the n − type semiconductor layer 2 exposed from the mask M is anisotropically etched to form a trench 10 having a depth of about 4 μm, for example. The pattern of the trench 10 on one main surface of the substrate SB has a regular hexagonal shape, and the width (diagonal width) is, for example, about 10 μm. The distances d1 between the trenches 10 are equally spaced from each other, for example, about 1 μm to 10 μm.

第2工程(図11(B)):マスクMを除去し高濃度のp型不純物がドープされたポリシリコンを堆積し、トレンチ10内にもポリシリコンを埋め込む。またノンドープのポリシリコンを堆積後、高濃度のp型不純物を導入しても良い。そして、全面のエッチバックによりトレンチ10内のみポリシリコンを残し、n−型半導体層2表面を露出する。   Second step (FIG. 11B): The mask M is removed, polysilicon doped with high-concentration p-type impurities is deposited, and the trench 10 is also filled with polysilicon. Further, after depositing non-doped polysilicon, a high concentration p-type impurity may be introduced. Then, polysilicon is left only in the trench 10 by etching back the entire surface, and the surface of the n − type semiconductor layer 2 is exposed.

その後、酸化膜を全面に形成し、熱処理によりポリシリコン中のp型不純物を活性化し、p型半導体領域3を形成する。   Thereafter, an oxide film is formed on the entire surface, p-type impurities in the polysilicon are activated by heat treatment, and a p-type semiconductor region 3 is formed.

また、p型半導体領域3を不純物のイオン注入と拡散で形成する場合には、第2工程においてトレンチを形成せず、マスクMを介してn−型半導体層2に不純物を注入し、拡散する。   Further, when the p-type semiconductor region 3 is formed by impurity ion implantation and diffusion, the trench is not formed in the second step, but the impurity is implanted and diffused into the n − -type semiconductor layer 2 through the mask M. .

絶縁膜5を堆積し、絶縁膜5を所望のパターンでエッチングして、第1開口部とOP1および他の開口部OP1’を形成する。   The insulating film 5 is deposited, and the insulating film 5 is etched with a desired pattern to form the first opening, OP1, and another opening OP1 '.

第1開口部OP1は、所定の距離で離間して複数形成される。第1開口部OP1は正六角形状であり、その幅は例えば10μm程度である。また第1開口部OP1間の距離d2は互いに等間隔で離間される。   A plurality of first openings OP1 are formed separated by a predetermined distance. The first opening OP1 has a regular hexagonal shape, and its width is, for example, about 10 μm. The distances d2 between the first openings OP1 are spaced apart from each other at equal intervals.

第3工程(図11(C)):その後、基板SBの第1主面Sf1側にAl層などによる第1金属層7を形成する。第1金属層7は、第1開口部OP1から露出したp型半導体領域3とオーミック接合を形成してアノード電極Aとなる。   Third step (FIG. 11C): Thereafter, a first metal layer 7 made of an Al layer or the like is formed on the first main surface Sf1 side of the substrate SB. The first metal layer 7 forms an ohmic junction with the p-type semiconductor region 3 exposed from the first opening OP1 and becomes the anode electrode A.

第4工程(図12(A)):基板SBの第2主面Sf2に酸化膜などの第2絶縁膜11を設ける。第2絶縁膜11上に所望のパターンのマスク(不図示)を設けて第2絶縁膜11をエッチングし、第2開口部OP2を形成する。   Fourth step (FIG. 12A): A second insulating film 11 such as an oxide film is provided on the second main surface Sf2 of the substrate SB. A mask (not shown) having a desired pattern is provided on the second insulating film 11, and the second insulating film 11 is etched to form the second opening OP2.

第2開口部OP2は、それぞれ均等な形状(大きさ)で、第2開口部OP2の中心部からの距離が互いに均等な距離で離間するように形成され、その形状は、正六角形状である。   Each of the second openings OP2 has an equal shape (size), and is formed such that the distance from the center of the second opening OP2 is an equal distance from each other, and the shape thereof is a regular hexagon. .

また、第2開口部OP2の総面積は、基板SBの第2主面Sf2の面積に対して35%〜80%程度になるように形成する。   The total area of the second opening OP2 is formed to be about 35% to 80% with respect to the area of the second main surface Sf2 of the substrate SB.

第5工程(図12(B)):その後、第2絶縁膜11上に、蒸着によりTi−Ni−Agまたは、NiCr−Auの第2金属層12を形成する。これにより、第2開口部OP2を介して基板SBの第2主面Sf2(n+型シリコン半導体基板1)と選択的にコンタクトする、カソード電極CAを形成する。   Fifth step (FIG. 12B): Thereafter, a second metal layer 12 of Ti—Ni—Ag or NiCr—Au is formed on the second insulating film 11 by vapor deposition. Thus, the cathode electrode CA that selectively contacts the second main surface Sf2 (n + type silicon semiconductor substrate 1) of the substrate SB through the second opening OP2 is formed.

尚、第1の実施形態の場合は、図12(A)の第4工程において、第2絶縁膜11を形成せず、Ti−Ni−Ag等の第2金属層8を基板SBの第2主面Sf2の全面に直接、蒸着などし、カソード電極CAを形成する。   In the case of the first embodiment, in the fourth step of FIG. 12A, the second insulating film 11 is not formed, and the second metal layer 8 such as Ti—Ni—Ag is used as the second step of the substrate SB. The cathode electrode CA is formed by vapor deposition or the like directly on the entire main surface Sf2.

本発明のダイオードを説明するための(A)平面図、(B)平面図、(C)断面図である。It is (A) top view, (B) top view, (C) sectional drawing for demonstrating the diode of this invention. 本発明のダイオードを説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the diode of this invention. 本発明のダイオードを説明するための特性図である。It is a characteristic view for demonstrating the diode of this invention. 本発明のダイオードを説明するための特性図である。It is a characteristic view for demonstrating the diode of this invention. 本発明のダイオードを説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the diode of this invention. 本発明のダイオードを説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the diode of this invention. 本発明のダイオードを説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the diode of this invention. 本発明のダイオードを説明するための特性図である。It is a characteristic view for demonstrating the diode of this invention. 本発明のダイオードを説明するための特性図である。It is a characteristic view for demonstrating the diode of this invention. 本発明のダイオードを説明するための特性図である。It is a characteristic view for demonstrating the diode of this invention. 本発明のダイオードの製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the diode of this invention. 本発明のダイオードの製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the diode of this invention. 従来のpn接合ダイオードを説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the conventional pn junction diode. 従来のショットキーバリアダイオードを説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the conventional Schottky barrier diode.

符号の説明Explanation of symbols

1 n+型シリコン半導体基板
2 n−型半導体層
3 p型半導体領域
4 ガードリング
5 第1絶縁膜
7 第1金属層(アノード電極)
8、12 第2金属層(カソード電極)
9 n型不純物領域
10 トレンチ
11 第2絶縁膜
50 空乏層
100、105 ダイオード
110 pn接合ダイオード
111 n+型シリコン半導体基板
112 n−型半導体層
115 絶縁膜
117 ガードリング
118 アノード電極
119 カソード電極
113 p+型不純物領域
120 ショットキーバリアダイオード(JBS)
121 n+型シリコン半導体基板
122 n−型半導体層
123 p+型不純物領域
125 絶縁膜
126 金属層
127 ガードリング
128 アノード電極
129 カソード電極
SB、SB’ 半導体基板
OR 動作領域
OP1 第1開口部
OP2 第2開口部
OP1’ 他の開口部
1 n + type silicon semiconductor substrate 2 n− type semiconductor layer 3 p type semiconductor region
4 Guard ring 5 First insulating film 7 First metal layer (anode electrode)
8, 12 Second metal layer (cathode electrode)
9 n-type impurity region 10 trench 11 second insulating film 50 depletion layer 100, 105 diode 110 pn junction diode
111 n + type silicon semiconductor substrate 112 n− type semiconductor layer 115 insulating film 117 guard ring 118 anode electrode 119 cathode electrode 113 p + type impurity region 120 Schottky barrier diode (JBS)
121 n + type silicon semiconductor substrate 122 n− type semiconductor layer 123 p + type impurity region 125 insulating film 126 metal layer 127 guard ring 128 anode electrode 129 cathode electrode SB, SB ′ semiconductor substrate OR operation region OP1 first opening OP2 second opening Part OP1 'other opening

Claims (9)

高濃度の一導電型半導体基板に一導電型半導体層を積層した基板と、
前記一導電型半導体層に互いに離間して設けられた複数の逆導電型半導体領域と、
前記基板の一主面に設けられた絶縁膜と、
該絶縁膜に設けられ前記逆導電型半導体領域が露出する開口部と、
前記絶縁膜上に設けられ、前記開口部を介して前記逆導電型半導体領域とコンタクトする金属層と、
を具備することを特徴とするダイオード。
A substrate in which a one-conductivity-type semiconductor layer is stacked on a high-concentration one-conductivity-type semiconductor substrate;
A plurality of reverse conductivity type semiconductor regions provided apart from each other in the one conductivity type semiconductor layer;
An insulating film provided on one main surface of the substrate;
An opening provided in the insulating film and exposing the reverse conductivity type semiconductor region;
A metal layer provided on the insulating film and in contact with the reverse conductivity type semiconductor region through the opening;
A diode comprising:
前記逆導電型半導体領域の不純物の電荷量は、前記半導体層の不純物の電荷量の1倍〜2倍であることを特徴とする請求項1に記載のダイオード。   2. The diode according to claim 1, wherein the charge amount of the impurity in the reverse conductivity type semiconductor region is 1 to 2 times the charge amount of the impurity in the semiconductor layer. 前記金属層は、前記逆導電型半導体領域とオーミック接合することを特徴とする請求項1に記載のダイオード。   The diode according to claim 1, wherein the metal layer is in ohmic contact with the reverse conductivity type semiconductor region. 隣り合う前記逆導電型半導体領域間の前記半導体層の表面は前記絶縁膜により被覆されることを特徴とする請求項1に記載のダイオード。   The diode according to claim 1, wherein a surface of the semiconductor layer between the adjacent opposite conductivity type semiconductor regions is covered with the insulating film. 高濃度の一導電型半導体基板に一導電型半導体層を積層した基板と、
前記一導電型半導体層に互いに離間して設けられた複数の逆導電型半導体領域と、
前記基板の第1主面に設けられた第1絶縁膜と、
該第1絶縁膜に設けられ前記逆導電型半導体領域が露出する第1開口部と、
前記第1絶縁膜上に設けられ、前記第1開口部を介して前記逆導電型半導体領域とコンタクトする第1金属層と、
前記基板の第2主面に設けられた第2絶縁膜と、
該第2絶縁膜に選択的に設けられた複数の第2開口部と、
前記第2絶縁膜を覆って設けられ前記第2開口部を介して前記第2主面とコンタクトする第2金属層と、
を具備することを特徴とするダイオード。
A substrate in which a one-conductivity-type semiconductor layer is stacked on a high-concentration one-conductivity-type semiconductor substrate;
A plurality of reverse conductivity type semiconductor regions provided apart from each other in the one conductivity type semiconductor layer;
A first insulating film provided on the first main surface of the substrate;
A first opening provided in the first insulating film and exposing the reverse conductivity type semiconductor region;
A first metal layer provided on the first insulating film and in contact with the reverse conductivity type semiconductor region through the first opening;
A second insulating film provided on the second main surface of the substrate;
A plurality of second openings selectively provided in the second insulating film;
A second metal layer provided to cover the second insulating film and in contact with the second main surface through the second opening;
A diode comprising:
前記第2開口部の面積は、前記第2主面に対して35%〜80%であることを特徴とする請求項5に記載のダイオード。   The diode according to claim 5, wherein an area of the second opening is 35% to 80% with respect to the second main surface. 前記第2開口部は、均等な形状を有し互いに均等な距離で離間して設けられることを特徴とする請求項5に記載のダイオード。   6. The diode according to claim 5, wherein the second openings have a uniform shape and are spaced apart from each other by an equal distance. 前記第2開口部は、正六角形状であることを特徴とする請求項5に記載のダイオード。   The diode according to claim 5, wherein the second opening has a regular hexagonal shape. 前記逆導電型半導体領域の不純物の電荷量は、前記半導体層の不純物の電荷量の1倍〜2倍であることを特徴とする請求項5に記載のダイオード。   6. The diode according to claim 5, wherein the charge amount of the impurity in the reverse conductivity type semiconductor region is 1 to 2 times the charge amount of the impurity in the semiconductor layer.
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